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重 RI ビーム粒子識別用 全エネルギー検出器の開発

重 RI ビーム粒子識別用 全エネルギー検出器の開発. 　　　東北大学大学院　理学研究科　 物理学専攻　原子核物理 　　　　　　　　　　遠藤　奈津美. RI ビームを用いた原子核実験 @RIBF(2007-).

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重 RI ビーム粒子識別用 全エネルギー検出器の開発

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Presentation Transcript

  1. 重RIビーム粒子識別用全エネルギー検出器の開発重RIビーム粒子識別用全エネルギー検出器の開発 　　　東北大学大学院　理学研究科　 物理学専攻　原子核物理 　　　　　　　　　　遠藤　奈津美

  2. RI ビームを用いた原子核実験@RIBF(2007-) 領域：　エネルギー：　250-300 MeV/A　質量数 A ：　＜U（電荷状態の制限から ＜100）物理　電磁破砕反応：　(γ,n), (γ,p)…（ソフト)巨大共鳴： 集団運動　　 非共鳴励起 ： 一粒子運動　核子散乱 ：　(p,p), (p,p’), (p,2p), (p,d)…　　　基底/励起状態の核構造技術　前方に放出される入射核破砕片の測定　特に粒子識別：　(Z、A)の同定

  3. 粒子識別の方法 ①電荷／運動量／速度 ②電荷／運動量／全エネルギー 質量数A → 運動量R、電荷Z、全エネルギーE 精度：σE/E〜0.1% ← σA/A=0.2/100 ↓ 高精度全運動エネルギー検出器の開発

  4. 高精度全エネルギー検出器の候補 ⇩ Ge検出器　　：　高エネルギー分解能(ε=3eV)CsI(Tl)検出器：　大型化、安定動作

  5. Vout=Q/Cf〜50V/1GeV＠Cf=1pF 　 　　→ = Q/(Cf+Cf’)Cf’=10〜500pF τ=CR〜(Cf+Cf’){RfRf’/(Rf+Rf’)}=100〜500μsec 全エネルギー≧数〜数十GeV用の前置増幅器 +HV Pre amp hybrid Rf Cf Shaping amp (CR)(RC)2〜4 ADC Ge CsI(Tl)-PD Q Vout Rf’ Cf’ τ=2〜10μsec

  6. 実験場所　 放射線医学総合研究所 HIMAC (Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba)加速器

  7. F1 実験方法 F2 SB2 D1 SF1 D2 wedge Al真空隔壁 Be標的 E0 SF3 E0 ← B2(D2) エネルギー　損失(Al真空　隔壁、SF3、Si) E 二次ビーム Ge/CsI Δp/p E TOF 40Ar、84Kr 一次ビーム400MeV/A D〜2cm/% β Si ΔE/E=±0.06%　＠±1mm ΔE〜Z2/β2 Si counts 選択 Ge/CsI スペクトル σE 分解能 σE/E TOF E ADC channel

  8. Ge検出器 特徴 長所：NaI(Tl)検出器と比較して分解能が良い 60Co 1.33MeV→σE=0.63keV 40Ar 250MeV/A×40=10GeV→ σE=60keV 84Kr 250MeV/A×84=21GeV→ σE=80keV → σE/E=(4〜6)×10-4 % 短所：高価 　　　 結晶の大きさに制限 　　　 放射線損傷 　　　 扱いが大変(真空、冷却)

  9. Ge検出器の測定原理 液体窒素 　　平衡温度98K 空乏層 P+ n+ 真空チェンバー 到達真空度　　〜10-7Torr + - 荷電粒子 - - + + - + Si 真空計 逆バイアス Cu Beam Pre ampへ Ge ΔV=eN/C (C:Geの静電容量、e:素電荷、N:電子正孔対の数) →ΔQ=CΔV=eN ∝ E(エネルギー)

  10. Ge-thick semi-planar • Ge-thin planar Ge結晶 　　　　　　　　　 セットアップ 35mm 60φ 60φ 10mm

  11. Ge-thick ＠170V　ビーム試験40Ar 二次ビーム 解析　粒子の選択38S(Z=16) Si counts →　分解能 (HV、F1slit幅、F2slit幅、入射角依存性) Siスペクトル TOF ADC channel B2ρ２＝3.57Tmより F2でのエネルギー 104MeV/A ↓ Geの入射エネルギー 81MeV/A(R=2.4mm) エネルギー損失(Al真空隔壁、F3プラシンチ、BDC、入射窓マイラー、Si) Ge-thick　 　　　定格電圧:4000V 　　リーク電流大で250V　までしかかけられない

  12. Ge-thin ＠1000V　ビーム試験84Kr 二次ビーム 解析　粒子の選択80As(Z=33) Si counts →　分解能 (D2、F1slit幅依存性) Siスペクトル TOF ADC channel B2ρ２＝5.85Tmより F2でのエネルギー 248MeV/A ↓ Geの入射エネルギー 231MeV/A(R=7.3mm) エネルギー損失(Al真空隔壁、F3プラシンチ、BDC、入射窓マイラー、Si) Ge-thin　　　　　　　定格電圧:1000V

  13. ビーム試験　結果と考察 counts Ge-thick 170V F1slit ±0.5mm (actual 0.85mm) ↓ σE/E=0.35%＠3GeV Geスペクトル ADC channel 問題 HVがかからない　 σE/E=0.3%は何で決まっているか beam、straggling：OK ?Pre amp Cf大 ?

  14. CsI(Tl)検出器 NaI(Tl)検出器との比較

  15. 光の波長領域

  16. CsI(Tl)検出器の測定原理 反射材(アルミホイル、紙、3M-ESR) 遮光ケース グリス 荷電粒子 Pre ampへ CsI結晶 102×50 [鏡] 302×40 [鏡/スリ] 403 [鏡/スリ] (40cube) 503 [鏡](50cube) Photo diode 102(200、300μmt) :50V 182 (300μmt):100V 282 (300μmt):100V ライトガイド 結晶表面　　　　(鏡面、スリガラス)

  17. 102×50小型結晶のテスト (Photo diode 102pre amp 142A Cf1pF) • 反射材に3M-ESR　 →アルミホイルの2倍の分解能 • 表面状態はスリガラスより鏡面　　　　⇩ • 結晶、Photo diodeの　大型化(集光、容量) • Pre ampのCf大

  18. Cf’、Rf’ Pre amp • ハイブリッド • Clear Pulse CS515-1 • SOSHIN CS AMP-3 • HOHSHIN N012-1 CS515-1 組み込む基板作成 • γ線源(60Co)でテスト　　→分解能 • Cf’大きくし、動作確認→ビーム試験で使用するpre amp決定 Cf’、Rf’ CS AMP-3 N012-1 Cf’、Rf’

  19. Pre ampの決定 40cube スリガラス + PD 282 Pre amp Cf’=1pF →CsI：CS515-1にCf’=100pF、Rf’=1MΩ Si：N012-1にCf’=10pF、Rf’=10MΩ

  20. 反射材3M-ESR→アルミホイルではわかれなかった60Coの二つのピークが見える(40Cubeスリガラス+PD 282、ORTEC142A Cf=1pF) 表面状態鏡面よりスリガラス大型結晶で60Coの2つのピークがわかれる(40cube+PD282 3M-ESR、 CS515-1 Cf=1pF) 大型結晶のテスト 小型：鏡面 大型：スリガラス

  21. ライトガイドライトガイドをつけることにより、分解能良くなる(50cube鏡面 3M-ESR、 N012-1 Cf=1pF) 　　　大型結晶でも　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　反射材：3M-ESRフィルム　　　　　　　　　　　ライトガイドつける ⇩ 60Coのふたつのピークがわかれるようになる

  22. ビーム試験 セットアップ 結晶とPhoto diodeの組み合わせ • CsI 50cube(鏡面) + LG + PD 182 • CsI 50cube(鏡面) + LG + PD 282 • CsI 40cube(鏡面) + PD 282 • CsI 40cube(スリガラス) + PD 282 • CsI 40cube(スリガラス) + LG + PD 182 • CsI 182×40(スリガラス) + PD 182 • CsI 182×40(スリガラス) + PD 282 アルミ箱

  23. klab: 40Ar 二次ビーム 解析　粒子の選択　37S(Z=16) Si counts →　分解能 (F1slit幅、shaping time依存性) Siスペクトル TOF ADC channel B2ρ２＝5.78Tmより F2でのエネルギー 264MeV/A ↓ CsIの入射エネルギー 254MeV/A(R=2.1cm) エネルギー損失(Al真空隔壁、F3プラシンチ、BDC、入射窓アルミホイル、Si)

  24. 84Kr 二次ビーム 解析　粒子の選択　82Se(Z=34) Si counts Siスペクトル TOF ADC channel B2ρ２＝6.11Tmより F2でのエネルギー 270MeV/A ↓ CsIの入射エネルギー 243MeV/A(R=1.0cm) エネルギー損失(Al真空隔壁、F3プラシンチ、BDC、入射窓アルミホイル、Si)

  25. ビーム試験　結果 37S(Z=16) 82Se(Z=34) counts counts CsIスペクトル CsIスペクトル σE/E=0.35% ＠9GeV σE/E=0.36% ＠20GeV ADC channel ADC channel CsI 50cube(鏡面) CsI 40cube(スリガラス)+ LG + PD 282+ LG + PD 182

  26. 分解能： 全エネルギー依存性 Si 84Kr 二次ビーム 粒子の選択　47Sc(Z=21) TOF B2ρ２＝6.11Tmより F2でのエネルギー 308MeV/A ↓ CsIの入射エネルギー 295MeV/A(R=2.0cm) エネルギー損失(Al真空隔壁、F3プラシンチ、BDC、入射窓アルミホイル、Si)

  27. 47Sc(Z=21) counts CsIスペクトル σE/E=0.39% ＠14GeV 分解能　：　全エネルギーに　　　　　　　あまり依存しない スケール：　飽和 ADC channel CsI 40cube(スリガラス)+ LG + PD 182

  28. まとめ エネルギー200-350MeV/A、質量数20-100領域の 重RIビーム実験で粒子識別に用いる 高精度全エネルギー検出器の開発 40Ar、84Kr 二次ビームで試験 • Ge検出器　→　σE/E=0.35%＠3GeV • CsI(Tl)検出器　→　σE/E= 0.34%＠20GeV ＞0.1%(A=100) 原因　Ge ： 表面の汚れ? CsI(Tl)　 ：　結晶中での飽和 Photo diodeでの電荷収集 Ge/CsI(Tl)： 回路(pre ampのCf 大)　？

  29. CsI(Tl)の動作パラメータ • Pre ampCfの増大：　速い回路では不安定（発振）、遅いHybridではOK分解能への効果？ • Photo diode面積、容量：　明確な相関見えない • 結晶表面鏡面（小型）、スリガラス/Diffuser（大型） • 反射材高反射率の3M-ESR • 集光(受光)割合、ライトガイド高く、ゆるやかにしぼる • 全エネルギー依存性弱 • ビームエネルギー幅(F1スリット幅）ほぼ予想通り

  30. 調べていない部分 • CsI(Tl)中での発光量の飽和傾向は見えている。　定量的には？ • Photodiodeでの電荷収集HV=0/FULLでfew倍しか変わらない • 回路？大容量検出器＋大容量Cf殆ど前例が無い

  31. 大立体角磁気分析器 大型超伝導電磁石 （磁場３テスラ） 入射ＲＩビーム （BigRIPS より） リターンヨーク 磁極（直径 2m) 超伝導コイル 真空箱 標的 中性子 回転台 中性子検出器 焦点面検出器 重入射核破砕片 陽子

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